一種全向圓極化天線設計

趙東賀，韓國棟，劉桂鳳

(中國電子科技集團公司 第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

天線是無線通信系統中接收或副輻射電磁波的裝置，完成射頻導波與空間無線電波的能量裝換，在現代通信系統中具有無可替代的作用[1]。根據發射和接收電磁波的方向性，一般可以將天線劃分為定向天線和全向天線。與定向天線相比，全向天線輻射的電磁波信號和能量是沿著天線水平周圍均勻輻射，可以實現水平面任意方位的電磁波的接收或發射，更適用于海、陸、空等等環境[2-3]大范圍覆蓋的應用場景。同時，線極化天線也逐漸無法滿足通信系統性能不斷更新換代的需求，圓極化天線的應用越來越廣泛。全向圓極化天線綜合了全向天線的 360°全方位覆蓋和圓極化天信號抗干擾能力強的兩大優點，在遙測遙感、移動通信、頻譜感知及電視廣播等無線系統的應用都有著非常重要的意義。

目前實現方法主要有三種:第一種是通過將圓極化單元、傾斜極化單元和正交線極化單元進行按一定的相對位置關系進行排布[4-5]，采用合適的饋電網絡進行饋電合成，實現天線的全向圓極化輻射。第二種是通過對向天線進行加載，實現圓極化設計。文獻[6-7]分別通過對全向天線加載高介電常數介質單元和螺旋縫隙結構，將線極化波分解成垂直極化波和水平極化波，形成固定相差的正交極化分量以形成圓極化輻射。第三種方法即采用多個天線組合[8-9]，通過具有全向性的不同極化分量的天線單元進行組合，并使之形成90°的相位差，以此實現全向圓極化天線。最典型的結構是環天線-偶極子形式，偶極子模型產生垂直極化波，環形天線產生水平極化波，通過調整天線結構參數實現全向圓極化輻射。以上方法性能各有偏重，但普遍存在結構復雜、加工難度大的缺點，制約了全向圓極化天線的工程應用。

本文基于對長螺距四臂螺旋天線輻射特性的分析，提出了一種全向圓極化天線設計方式。通過螺距為1.2倍中心頻率波長的長螺距的四臂螺旋天線結構實現全向圓極化輻射，采用微帶功分移相一體化網絡對四根螺旋臂進行激勵。用簡單結構實現了天線全向圓極化輻射特性。為了驗證天線設計的正確性，加工了天線樣機。測試結果表明在2～2.25 GHz頻帶范圍內電壓駐波比小于1.6,增益大于1.7 dBi，軸比小于3 dB，水平面方向圖不圓度小于1.2 dB。天線具有結構簡單緊湊，全向圓極化輻射特性良好等特點

1 全向圓極化天線原理

1.1 螺旋天線介紹

螺旋天線是一類由一根或多根導體繞成螺旋結構的天線形式。典型的螺旋天線由一根導體繞制的螺旋結構和金屬接地板組成，通過同軸結構饋電。螺旋結構一端與同軸結構內導體連接，金屬接地板與同軸結構外導體相連。螺旋天線是一種三維結構，描述其結構的參數包括：螺旋螺距、螺旋直徑、螺旋線直徑、螺旋周長、螺旋升角、圈數、軸長和單圈螺旋長度等。其中最重要的參數是螺旋結構的直徑(D)，當直徑(D)與波長(λ)的比值變化時，天線輻射模式產生變化。根據輻射模式的不同，螺旋天線可分為三類[8]，即法向模螺旋天線、軸向模螺旋天線和圓錐模螺旋天線，如圖1所示。

圖1 螺旋天線輻射模式示意圖

第一類是法向模螺旋天線，當螺旋的直徑D很小，遠小于波長 λ 時(D<0.18 λ)時，天線的最大輻射方向在垂直于螺旋軸線方向的平面上，且在該平面內方向圖為圓形分布，其三維方向圖類似于直線型偶極天線的方向圖。法向模螺旋天線尺寸結構較小，可歸類于電小天線，多用于對講機、手持機的天線場景。第二類是軸向模螺旋天線，當螺旋的直徑D增大時，天線的最大輻射方向逐漸向軸線方向移動。當螺旋天線的直徑增大到0.25～0.46 λ時，螺旋線的周長約為一個波長，天線的最大輻射方向為軸線方向，此時螺旋天線同樣具有良好的阻抗特性和圓極化特性，是實現圓極化天線的重要分支。軸向模螺旋天線的應用范圍遠大于其余兩種模式的螺旋天線。第三類是圓錐模螺旋天線，當螺旋結構的直徑D進一步增大到大于0.46 λ時，天線方向圖最大輻射方向會偏離軸線方向，能量向不同方向輻射，方向圖變成圓錐形。圓錐模螺旋天線的相關研究和工程應用很少。

1.2 四臂螺旋天線原理

四臂螺旋天線是在軸向模螺旋天線的基礎上演化而來，可以看成四條幅度相等、相位以此相差90°單繞螺旋天線的組合。C.C Kilgus 在1968年提出了諧振式四臂螺旋天線結構，并進行了四臂螺旋天線理論方面的研究[11-13]。四臂螺旋天線通常由四根等長的均勻繞制在圓柱體上的螺旋線構成，其中每根螺旋線長度為四分之一波長的整數倍，四根螺旋線分別由幅度相等，相位依次為0°，90°，180°，270°的信號饋電。典型的四臂螺旋結構如圖2所示，其結構參數主要有包括r0(螺旋半徑)、P(螺距)、n(螺旋圈數)、Le(螺旋線長度)及L(軸向長度)，此外結構參數應滿足下式。

(1)

其中：

天線四段螺旋線長度Le通常為mλ/4，其中m=1,2,3…，當m為奇數時，螺旋末端為開路結構，當m為偶數時，螺旋末端為短路結構。

圖2 四臂螺旋結構示意圖

四臂螺旋天線的工作機制可以通過簡化模型法分析，首先考慮四臂螺旋天線結構的是旋轉對稱性，兩條相對應的螺旋臂看成是一個雙臂螺旋，這樣就可以將其分解成兩組正交放置，相位相差90°的雙臂螺旋結構。由于雙臂螺旋上的電流幅度符合正弦曲線變化，其中電流極值位于饋電點和頂端，零點則位于螺旋臂中部，將每條螺旋臂簡化成垂直的直線和水平的圓環，則其圓環在徑向部分所在的平面上，偶極子則垂直于該平面，因此雙臂螺旋結構可以等效成用環-偶極子模型，通過分析正交放置，相位相差90°的環-偶極子組合來分析四臂螺旋天線的輻射場。通常四臂螺旋天線研究主要集中在天線的寬波束特性，通過調整螺旋參數，實現賦形圓錐波束輻射，其波束寬度可達到100～240°。但對四臂螺旋天線的全向輻射特性研究報道很少。

1.3 四臂螺旋天線饋電方式

由于四臂螺旋天線的四根螺旋線幅度相位分布的特點，其饋電方式包括自相移饋電和外設的功分移相一體化網絡饋電兩種方式。自移向饋電[14-16]是通過改變相鄰螺旋臂的長度的方式，使相鄰的螺旋臂來產生90°相位差；同時通過縫隙巴倫實現同軸線饋電時的不平衡-平衡轉變。具體實現方式是將四臂螺旋天線看成兩個正交放置的雙臂螺旋天線，為以標準的諧振長度為中心，調節的兩個雙臂螺旋的臂長，相鄰的螺旋臂一長一短，這樣兩端的輸入阻抗一個呈容性一個呈感性，長度調節合適就會形成90°差；而巴倫會給兩個雙臂螺旋分別提供相位 0°和 180°、幅度相等的激勵信號，借此其最終能實現等幅正交饋電。外設的功分移相一體化網絡則是把功率分配和相位偏移功能集成到一起的網絡，該網絡為五端口網絡，4個輸出端口需滿足幅度相等，相對相位關系為0°、90°、180°和270°。外設的功分移相一體化網絡的原理是由功分器、移相器和耦合器等進行級聯，網絡支路端口的幅度和相位分布。實現形式有多種，包括串饋式饋電網絡[17]、威爾金森功分器加移向傳輸線網絡[18]、3 dB電橋級聯而成的饋電網絡[19-20]以及威爾金森功分器和3 dB電橋混合級聯網絡等。

2 天線結構與設計

2.1 四臂螺旋天線設計

本文在四臂螺旋天線方向圖的寬波束特性進一步探索，分析了四臂螺旋的螺距對方向圖的影響。可知當螺距大于一個波長時，天線的最大輻射方向會逐漸趨向于螺旋結構的法線方向。優化螺旋線結構參數，最終實現天線的全向輻射。本文提出的天線結構如圖3所示，其螺旋線采用金屬涂層結構，通過激光直寫式3D打印技術將金屬涂層印制在介質筒上，介質筒材料采用玻纖聚氰酸酯復合材料。玻纖聚氰酸酯復合材料具有高強度高模量和低密度的特點，又是良好的介電材料能透過電磁波，耐腐蝕性和耐紫外線性能良好，是航空航天使用的理想增強材料之一。該材料成型技術相對比較復雜，通常采用熱壓罐固化成型法。在介質筒制做時，根據介質筒尺寸制作模具，波纖維預浸料采用等層間角度間隔設計方案，按照模具刻線對不同角度的預浸料在模具上進行鋪覆。在鋪覆過程中，要求預浸料無褶皺、架橋、搭接、缺失等情況。通過熱壓罐中固化最終成型，完成介質支撐的的制備。傳統的曲面圖案制造方式先在平面上制備導電圖形，然后通過轉印等工藝再將導電圖形印制在三維基體表面之上，或者使用整體電鍍+激光燒蝕等方式直接在基體表面制備導電圖形。這些方法普遍存在工藝復雜、耗時長、復合材料基體受損傷等問題。直寫式3D打印技術的是通過3D打印技術在曲面上制備的具有導電特性的特定圖形。該技術金屬涂層制備周期短，對原材料基體無損傷，空間利用率高，實現的金屬圖形能與基體結構實現高度融合和集成。對天線參數進行優化設計，最終確定天線的螺距為p=170 mm，天線直徑為r0=15 mm，螺旋線寬度w=3 mm，螺旋圈數為n=0.5，天線通過下端饋電，天線頂部為開路。四根螺旋線激勵信號幅度相等，相對相位依次為0°、90°、180°和270°。天線方向圖仿真結果如圖4所示，由計算結果可知，四臂螺旋結構的最大輻射方向為水平面方向，具有良好的全向輻射特性。

圖3 四臂螺旋模型示意圖

圖4 天線三維方向圖計算結果

2.2 饋電網絡設計

圖5 威爾金森網絡結構圖

圖6 網絡示意圖

2.3 天線整體設計

根據四臂螺旋和饋電網絡的設計結果，建立全向圓極化天線模型，進行整體優化設計。四根螺旋線下端通過饋電網絡的介質板上的金屬化過孔與饋電網絡的4個支路端口連接，天線整體結構如圖7所示。天線的方向圖計算結果如圖8和圖9所示。與四臂螺旋結構的方向圖相比，天線的最大輻射方向為水平面方向，保持了良好的全向輻射特性。但由于饋電網絡各端口幅度和相位分布與理論分布存在一定差異的影響，天線方向圖的波束均勻性產生一定惡化，由計算結果可知天線的波圓度小于0.7 dB。

圖7 天線模型示意圖

圖8 天線計算垂直面方向圖

圖9 天線計算水平面方向圖

3 測試結果與分析

3.1 天線樣機加工

根據計算設計結果，加工制作了四臂螺旋結構。首先加工了玻纖聚氰酸酯復合材料支撐筒，然后通過直寫式3D打印技術在支撐筒表面上進行金屬螺旋線的加工；采用微波介質板加工制作了功分移相一體化饋電網絡，饋電網絡的4個支路端口有金屬過孔。為提高網絡的環境耐受性，對微帶饋電網絡的銅箔進行了表面處理，處理工藝采用沉錫工藝。沉錫工藝是基于金屬銅和溶液中的錫離子的置換反應，在銅箔表面形成平坦的銅錫合金化合物，該工藝提高饋電網絡的焊接可靠性，同時又能對銅箔起到防氧化、防腐蝕的作用。零件加工完成后，對全向圓極化天線進行了整體裝配，螺旋結構的四根螺旋線通過穿過4個支路端口的過孔的銅探針焊接在一起。在饋電網絡饋電點處焊接了用于測試的電纜和SMA同軸接插件。天線樣機如圖10所示。

圖10 天線樣機照片

3.2 天線樣機測試方法

天線裝配完成后，采用Agilent E5071C矢量網絡分析儀和天線自動測試系統在微波暗室中對天線樣機的電性能(電壓駐波比、增益方向圖和軸比等特性)進行了測試。

3.2.1 電壓駐波比測試

通過矢量網絡分析儀對全向圓極化天線的電壓駐波比測試。測試前預先打開矢量網絡分析儀進行預熱；狀態穩定后，設置起始終止頻率，進入校準界面，按順序將開路、短路和負載校準件依次連接到儀器端口進行校準；校準完成后，將天線連接到儀器端口，可直接測試出天線的電壓駐波比曲線，將電壓駐波比數據存儲到矢量網絡擴分析儀中。

3.2.2 方向圖測試

天線的方向圖測試采用場地遠場法測試。遠場法測試測試天線方向圖時，收發天線之間的測試距離滿足遠場測試距離條件，即收發天線之間的距離R滿足下式：

(2)

式中，R為收發天線之間的距離；λ為工作波長；D為待測天線口徑(線天線為天線最大線尺寸)。

根據天線的遠場距離，在微波暗室中搭建測試環境，發射天線采用性能參數已知的標準喇叭天線。標準喇叭天線為線極化天線,其極化方向與窄邊平行(H面喇叭),具有結構簡單，便于安裝的特點。全向圓極化天線固定在接收轉臺上。標準喇叭天線與全向圓極化天線架設高度相等，距離5 m，遠大于遠場距離。天線架設完成后，標準喇叭天線與自動測試系統的信號源連接，全向圓極化天線與測試系統的頻譜儀連接。完成測試環境搭設后，啟動自動測試系統，沿水平方向轉動圓極化全向天線，使天線波束中心對準信標塔的源天線。依據天線測試要求以及天線轉動速度，合理設置頻譜儀的工作狀態等；將全向圓極化天線轉動一周，頻譜儀實時記錄待測天線的方位方向圖，并將記錄曲線存儲測試系統的電腦中，即得到天線的方向圖測試結果。改換測試頻率，重復上述步驟可測得其它頻率點的天線方向圖。

由于利用線極化天線測試圓極化天線方向圖時存在極化失配，因此需做一定的處理才能得到天線的增益。具體做法是，分別測出發射天線處于水平極化和垂直極化時的兩組數據，水平極化和垂直極化信號在空間是相互正交的，通過測試系統對兩組增益數據進行處理合成，即可得到圓極化天線的方向圖。得到方向圖后，通過測試系統對天線方向圖進行積分計算，即可得到天線的增益。

3.2.3 軸比測試

根據天線的遠場距離，在微波暗室中搭建測試環境進行軸比測試，發射天線采用性能參數已知的標準喇叭天線。標準喇叭天線和全向圓極化天線分別固定在發射和接收轉臺上，加電預熱使測試系統儀器設備工作正常；轉動全向圓極化天線對準標準喇叭天線，使其在同一直線上。合理設置頻譜儀的狀態參數，通過測試系統驅動標準喇叭天線軸線繞其軸線進行轉動，轉動范圍大于180°，通過測試系統的頻譜分析儀記錄信號電平的變化；利用頻譜分析儀的Marker功能，讀取所測曲線的最大值為Pmax(dBm)，最小值為Pmin(dBm)，則根據下式計算出待測天線的軸比。

AR=Pmax-Pmin

(3)

重復上述步驟可測得其它頻率點的軸比結果。

3.3 測試結果分析

根據上述測試方法對全向圓極化的電壓駐波比、方向圖、增益和軸比進行了測試。圖11給出天線的電壓駐波比計算與測試結果，其中實線為計算結果，虛線為測試結果。由圖可知，計算結果和實測結果兩條曲線的趨勢基本一致，天線在2～2.25 GHz頻帶范圍內電壓駐波比小于1.6。可知該天線在帶寬內具有良好的阻抗特性。但從該頻段內的曲線的起伏程度看,測試結果與計算結果有一定的差異。這是由于天線在裝配時，饋電網絡的支路端口與四臂螺旋結構的螺旋螺旋線通過銅探針焊接在一起，由于裝配誤差的影響，4根探針焊接狀態存在差異，并不能完全實現計算模型中連接結構的結構,所以對天線電壓駐波比性能造成了影響。

圖11 計算與測試電壓駐波比

圖12和圖13給出了天線在中心頻率的垂直面和水平面的測試方向圖。由天線的實測方向圖可知，天線的最大輻射方向在天線的水平面，天線水平面方向圖不圓度小于1.2 dB，表明該天線具有良好的全向圓極化特性。但與計算結果相比，天線的方向圖的均勻性和不圓度均略有差異。經過分析引起方向圖性能出現差異的主要是兩個原因，第一個原因是由于饋電網絡為不等分網絡，兩支路的微帶線線寬差值僅為0.2 mm，由于微帶印制板加工精度限制，支路線寬與設計尺寸存在微小誤差，會對支路的端口幅度分布產生影響；第二個原因是四臂螺旋結構的氰酸酯復合材料支撐筒成型后未進行二次加工，存在壁厚不均勻的現象。由于不同的壁厚對螺旋線的介質加載效應不同，會對螺旋線上的電流分布產生影響。圖14和圖15分別給出了天線增益和軸比計算和測試結果。測試結果表明天線在工作帶寬內增益大于1.7 dBi，軸比小于3 dB，測試與計算結果存在差異但基本吻合。由測試結果可知該天線具有良好的全向圓極化輻射特性，在阻抗帶寬內具有穩定的增益特性和軸比特性。

圖12 天線垂直面測試方向圖

圖13 天線水平面測試方向圖

圖14 計算與測試增益

4 結束語

本文通過對長螺距四臂螺旋天線輻射特性的分析，設計了一種工作在S頻段的全向圓極化天線，通過螺距為1.2倍中心頻率波長的長螺距的四臂螺旋天線結構實現全向圓極化輻射，采用微帶功分移相一體化網絡對四根螺旋臂進行激勵，激勵信號幅度相等，相對相位為0°、90°、180°和270°。根據計算結果通過激光直寫式3D打印技術制作了天線樣機。從實測結果可以看出采用外設饋電網絡的的長螺距四臂螺旋天線，用簡單結構實現了天線全向圓極化輻射特性，天線電壓駐波比在2～2.25 GHz頻帶范圍內電壓駐波比小于1.6, 在工作帶寬內增益大于1.7 dBi，軸比小于3 dB，水平面方向圖不圓度小于1.2 dB。該天線為某工程項目的電氣原理樣機，測試結果均滿足使用需求。為面向工程應用，后續將會開展工程適應性設計，包括裝聯工藝、安裝載體對天線性能的影響分析和結構可靠性、可加工性設計。該天線具有結構緊湊、體積小、重量輕、易加工裝配等優點，是一種性能優越的全向圓極化天線。該天線方案中相關技術還可應用于線極化全向天線，在移動通信、雷達、頻譜監測、遙測遙感，射電天文及電視廣播等方面有著非常廣闊的應用前景。